Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Цифровая обработка сигналов (ЦОС) в последние годы все шире используется в различных областях науки и техники. Прогресс в этой области вызван дрстшсениями в области микроэлектроники, позволившими создать вычислительные средства, обладавшие высоким быстродействием, малыми габаритами, массой и энергопотреблением. Интерес к цифровой обработке сигналов вызван тем, что на ее основе можно создать устройства с характеристиками, недостижимыми при использовашии аналоговых методов обработки сигналов. Кроме того, применение устройств с цифровой обработкой в ряде случаев оказывается более выгодным с экономической точки зрения в силу их универсальности и возможности работать в различных режимах. Сфера применения цифровой обработки непрерывно расширяется. Это радиосвязь, в том числе космическая, радио-, гидро- и звуколокация, телеметрия, анализ спектров, обнаружение сигналов на фоне помех, адаптивная коррекция каналов связи, адаптивная компенсация помех, анализ и синтез речи, радиовещание, телевидение, цифровые синтезаторы частоты, цифровые методы измерений, обработка сигналов в геологоразведке, сейсмологии, медицине и т.д.
Несмотря на множество уже решенных вопросов, в области применения ЦОС существует еще ряд проблем, которые сдерживают широкое применение цифровой обработки в приемниках сигналов различного назначения. Это ограниченное быстродействие цифровой элементной базы, ограниченные разрядность и быстродействие преобразователей аналоговых сигналов в цифровые, всзникавдие при ЦОС дополнительные искажения и шумы, ухудшение массогабаритных, энергетических и экономических характеристик устройств ЦОС по сравнению с аналоговыми, недостаточно разработанные теоретические проблемы синтеза элементов и устройств ЦОС с заданными качественными показателями. Эти проблемы связаны как с отсутствием подходящей элементной базы, так и со сложностью происходящих в устройствах ЦОС процессов, математическое описание которых во временной и спектральной областях оказывается гораздо более сложным, чем в аналоговых устройствах.
Далека от завершения и задача синтеза оптимальных по программным и вычислительным затратам алгоритмов цифровой обработки различных сигналов с заданными качественными показателями.
ЦЕЛЫ! ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ является развитие теоретических и реализационных основ дня создания новых алгоритмов работы и схемных решений, позволяющих разрабатывать приемники различного назначения с цифровой обработкой сигналов, обладающие высокими технологическими, техническими, эксплуатационными и потребительскими характеристиками.
СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Цифровая обработка непрерывных и дискретных сигналов как новое техническое направление сформировалось лет двадцать назад. Этому предшествовали успехи в области теории связи, микроэлектроники и вычислительной техники. Теория и применение цифровой обработки охватывают различные направления. В их развитие большой вклад внесли отечественные и зарубежные ученые. В области цифровой фильтрации и анализа спектров следует отметить работы Голда Б., Кайзера Д., Рейдера Ч., Рабинера Л., Трахтмана A.M., Оппенгейма А.В., Шафера Р., Хемминга Р.В., Каппелини В., Константинидиса А., Эмилиани П., Лернера Р., Антонью А., Гольденберга Л.М., Матшкина Б.Д., Поляка М.Н., Винограда В., Кули Д., Тьюки Д., Льюиса П. и другие.
В разработку теории и новых алгоритмов, ориентированных не цифровую обработку сигналов, значительный вклад внесли работы Котельникова В.А., Витерби Э., Финка Л.М., Звко А.Г., Кловского Д.Д., Тихонова В.И., Вейцеля В.А., Пестрякова В.Б., Цикина И.А., Банкета В.Л., Дорофеева В.М., Фомина І.Ф., Заездного A.M., Окунева Ю.Б., Тузова Г.И., Прохорова Ю.Н., Николаева Б.И. и другие.
В разработку теории и создание устройств с цифровой обработкой сигналов значительный вклад внесли Блекман Р., Стивенсон Д., Шшшн Я.З., Еодзишский м.И., Побереяский Е.С., Машбиц Л.М., Ланнэ А.А., Шило В.Л., Кривошеев Ы.И., Дуккерман И.И., Захарчен-ко Н.В. .Швидкий B-В..Нислюк Л.Д., Чепиков А.П., Спилкер Д. и др.
В теоретические и експерименталвные исследования цифровых устройств и систем ФАПЧ, цифровых синтезаторов частот и цифровых методов измерений большой вклад внесли работы Шахгильдяна В.В., Ляховкива А.А., Клэппэра Дк., Фрэнкла Дж., Фомина А.Ф., Белюсти-ной Л.Н., Федосеевой В.Н., Белых В.Р/., Гинзбурга В.В., Карякина В.Л., Кармалитн В.А., Соколинского В.Г. и др.
Широкое и многообразное применение цифровой обработки сигналов обусловлено тем,что она имеет ряд преимуществ перед аналоговой обработкой:
- значительно более высокую точность обработки сигналов по сложным алгоритмам;
гибкую и оперативную перестройку алгоритмов обработки, эбеспечивавщую как создание многорекимных устройств, так и реализацию адаптивных систем;
высокую технологичность изготовления и автоматизацию эксплуатации устройств с ЦОС;
высокую степень совпадения и повторяемости характеристик реализованных устройств с расчетными характеристиками;
возможность построения развивающихся, интеллектуальных :истем, способных к реконфигурации.поиску и обнаружению неисправностей;
большие возможности автоматизация проектирования;
высокая степень совпадения результатов моделирования на ЭВМ с физическим экспериментом;
высокостабильные эксплуатационные характеристики устройств з цифровой обработкой сигналов.
Вместе с тем цифровая обработка имеет и рад недостатков перед аналоговой обработкой:
меньшая ширина спектра обрабатываемых сигналов;
дополнительные погрешности, искажения и шумы.возникапцие в сигнале при аналого-цифровом и цифро-аналоговом преобразованиях;
иногда устройства ЦОС превышают аналоговые устройства по габаритам и потребляемой мощности;
у приемников с ЦОС меньше динамический диапазон обрабатываемых сигналов.
Указанные недостатки по мере развития микроэлектроники юстепенно утрачивают свои сдерживающие факторы. Кроме того, мо-кно привести ряд примеров, где цифровая обработка является безальтернативной.
В связных приемниках применение ЦОС наталкивается на пробле-ш как технического, так и экономического характера. Сложная го-«еховая обстановка требует применения качественных фильтров и зложных алгоритмов обработки сигналов, что вызывает необходи-гость применения многоразрядных и быстродействующих АЦП, ЦАП и процессоров. Все это приводит к повышению потребляемой мощности, сложности и стоимости приемника.
Однако в последние года появляются предпосылки для техни-to-экономического обоснования применения ЦОС в приемниках. Эти предпосылки сводятся к следующим факторам:
возрастает число видов излучаемых передающими станциями жгналов;
появляются дешевые и экономичные многоразрядные и быстро-
действующие АЦП, ЦАП и сигнальные процессоры;
- большим спросом пользуются высококачественные музыкальные центры, включающие в себя всеволновые приемники, цифровые магнитофоны и проигрыватели, эквалайзеры и т.д.
Указанные факторы приводят к тому, что цифровая обработка в приемниках становится экономически обоснованной вследствие большого числа режимов работы.
В ТВ-приемниках цифровая обработка такке перспективна, так как телевизионный сигнал удобен для цифровой обработки из-за его строчной структуры и дискретности спектра. В нашей стране и за рубежом ведутся интенсивные работы по применению ЦОС в ТВ-приемниках.
На пути внедрения ЦОС в приемниках различного назначения возникают как общие, так и специфические вопросы. Специфические вопросы решаются путем поиска новых алгоритмов обработки и схемных решений устройств ЦОС. Общие вопросы решаются путем повышения быстродействия цифровой элементной базы с одновременным повышением ее степени'интеграции, уменьшением потребляемой мощности и стоимости.
В теоретическом плане на пути внедрения ЦОС не полностью решены вопросы компактного описания даскретизированных и квантованных сигналов. Требуется обосновать методы анализа нелинейны} искажений сигналов в устройствах ЦОС, позволяющие получать аналитические выражения для их количественной оценки. В устройства! с бинарным квантованием сигналов недостаточно глубоко исследованы закономерности в построении, а также искажения сигналов,шумь и помехоустойчивость. В устройствах с многоуровневым квантованием нет единого, подхода в определении необходимой разрядності АЦП.ЩЛ и вычислителей, параметров УВХ, допустимой нелинейності комплектов УВХ-ЩІ-ЦДП. Недостаточно разработаны вопросы конвейеризации обработки, а такке применение транспьютерных и систолических структур для построения быстродействующих вычислителей.
Для уменьшения программных затрат при реализации алгоритма ЦОС плодотворными являются разработки элементов ЦОС, выполнявши: одновременно несколько функций, например, частотную селекцию і коррекцию искажений.
Из-за ограниченной разрядности вычислителей в устройства: ЦОС возникают паразитные явления (предельные циклы, забитие сиг нала помехой, некачественная фильтрация и т.д.). В связи с эти актуальными являются разработки алгоритмов ЦОС, пригодные дл реализации на вычислителях с ограниченной ра^р.адноотью.
В литературе и патентной документации не нашли должного отражения вопросы синтеза цифровых косинусно-синусных генераторов, блоков извлечения корня, амплитудных ограничителей и других элементов ЦОС с заданным? показателями по точности обработки и экономичными по программным затратам. Нет также количественного сопоставления по качественным показателям и программным затратам различных схем цифровых детекторов непрерывных и дискретных сообщений, работающих в различных каналах. Не оценена помехоустойчивость некоторых алгоритмов цифровой обработки сигналов.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. Для описания даскрвтизированных и квантованных сигналов с любым числом уровней квантования в диссертации используются ряды Фурье и полиномы Чебышева второго рода, а также предложена операция перестановки. Эта операция в сочетании со сверткой спектра гармошкой используется в диссертации для анализа устройств ЦОС. Для количественной оценки нелинейных искажений в устройствах ЦОС обоснован метод ординат, а для его экспериментальной проверки применялся метод ДПФ.
При определении необходимой разрядности устройств ЦОС обосновано применение детерминированных входных воздействий. Вероятностный подход применен для оценки нелинейных искажений в комплектах УВХ-ЯЩ-ЦАП, в описании нелинейности которых использовались полиномы Чебышева первого рода.
Для расчета коэффициентов нерекурсивных цифровых фильтров (ЦФ) с рельефной АЧХ в полосах пропускания использован метод на-«меньших квадратов, а для рекурсивных ЦФ - метод прямого синтева і численные методы Ньютояа-Рафсона.
Для исследования механизма возникновения в высокодобротных рекурсивных ЦФ нестационарных циклов использовался модифицированный метод фазовых портретов, а также замена нелинейных разностных уравнений параметрическими.
При исследовании шумовых характеристик и помехоустойчивости устройств ЦОС использованы методы спектрального анализа, элементы корреляционной теории и теории выбросов случайных процессов.
Для сравнения помехоустойчивости различных алгоритмом обра-Зотки сигналов применяются коэффициенты энергетических потерь.
Для проверки теоретических результатов использовались машинные и физические эксперименты на вычислителе, построенном на сигнальном процессоре РИМ (прототип TMS 320.10).
Для синтеза оптимальных устройств ЦОС обоснован переход от зектора показателей к скалярному показателю обобщенной стои-юсти выходных устройств приемников с ЦОС.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ. В процессе решения сформулированной в диссертации проблемы получены следующие новые научные результаты:
-
Предложен новый методический прием для анализа происходящих в устройствах ЦОС процессов, основанный на операции перестановки в сочетании со сверткой спектра гармошкой.
-
О применением вероятностного подхода разработана методика оценки нелинейных искажений сигналов, возникающих в комплекте УВХ-АЦП-ВДП по известной дифференциальной нелинейности этого комплекта.
-
Предложен новый критерий синтеза устройств ЦОС по минимуму вычислительных затрат, равных произведению трех безразмерных величин: необходимой разрядности вычислителей, программных затрат и отношения частоты дискретизации к ширине спектра обрабатываемого сигнала, при котором обеспечиваются заданные показатели по точности обработки и помехоустойчивости.
-
Впервые выявлена закономерность в построении цифровых частотных детекторов' с бинарным квантованием, названная свойством парности: если в таком детекторе выходы ограничителя сигнала и тактового генератора взаимно поменять местами включения, то образуется новый детектор с необычными свойствами. На основе свойства парности разработаны новые приемы для исследования цифровых частотных детекторов с бинарным квантованием и синтезированы схемы детекторов с увеличенным диапазоном рабочих частот.
-
Предложен новый методический подход для анализа процессов в цифровых резонаторах при ограниченной разрядности операндов, основанный на применении модифицированных фазовых портретов и замене нелинейных разностных уравнений параметрическими. Этот подход позволил синтезировать устойчивый алгоритм работы высоко-добротных резонаторов на вычислителях с небольшой разрядностью.
-
Разработаны экономичные по программным затратам алгоритмы работы и основы синтеза элементов ЦОС при заданных показателях по точности обработки, а такжэ схемы и алгоритмы работы нерекурсивных, рекурсивных и медианных цифровых фильтров, ориентиро-ваннных на реализацию в виде специализированной СБИС, не требующей программирования работы и программной памяти.
-
С использованием известных и разработанных в диссертацш новых методов анализа установлена количественная взаимосвязз между параметрами сигналов и схем детекторов, шумами квантования, искажениями, помехоустойчивостью и вычислительными затрата-
ми для большого класса цифрових детекторов модулированных и ма-нипулированных сигналов.
8. На основе предложенного в диссертации критерия минимума вычислительных затрат и полученных результатов исследований разработаны основы теории синтеза оптимальных выходных устройств для многорежимных приемников с ЦОС, обладающих минимальной стоимостью при заданных качественных показателях по точности обработки и помехоустойчивости.
Научная новизна полученных в диссертации результатов обусловлена:
применением к исследованию устройств ЦОС новых методических подходов, основанных на операции перестановки, на выявленном свойстве парности и на эквивалентном замещении нелинейных цифровых элементов параметрическими;
использованием известных и разработанных в диссертации новых методов анализа нелинейных искажений применительно к цифровым детекторам, для которых эти методы ранее не применялись;
комплексным подходом при синтезе оптимальных устройств ЦОС в приемниках, связывающим новые алгоритмические и схемотехнические решения с качественными показателями этих устройств через новый критерий, основанный на минимизации вычислительных затрат.
В результате проведенных исследований в диссертации на основе разработанных методов анализа и критерия оптимизации, новых методик расчета, схемотехнических и алгоритмических решений разработаны основы теории синтеза выходных устройств для многоре-кимных приемников с ЦОС при заданных показателях качества и превосходящие аналоговые выходные устройства по стоимостным и кассогабаритным показателям.
Диссертация выполнена на основе хоздоговорных и госбюджетных fflP, а также договоров о содружестве, проводимых для ряда НИИ, Ш и предприятий. Под научным руководством диссертанта в НИЛ при сафедре радиоприемных устройств Куйбышевского элёктротехническота института связи (в 1991г. он переименован в Поволжский институт информатики, радиотехники и связи, ГОШРС) были выполнены ра-5оты по созданию выходных устройств для приемников и модемов :вязных радиостанций, в которых реализована цифровая обработка іа базе сигнальных процессоров. Полученные в диссертации новые тучные результаты, методы расчета, рекомендации и конкретные жемотехнические решения позволили создать серию высокоэффектив-ых устройств ЦОС и внедрить их в приемники, радиостанции и ап-
паратуру связи, а также в учебный процесс в ПИИРС (акты о внедрении прилагаются к диссертации).
Наиболее важные для практического применения результаты заключены в слэдущем.
-
Выявленное свойство парности цифровых частотных детекторов (ЧД) с бинарным квантованием сигналов позволяет создавать новые цифровые ЧД с необычными свойствами и на два-три порядка увеличить диапазон их рабочих частот.
-
Предложенные (в соавторстве) цифровые демодуляторы с адаптивными характеристиками позволяют принимать сигналы в каналах с доплеровским сдвигом частоты, превышающим девиацию ЧМн-сиг-налов.
-
Предложены способы уменьшения разрядности вычислителей фильтров, основанные на замене высокодооротного рекурсивного звена несколькими низкодобротными, а также на перестановке звеньев в многокаскадных рекурсивных фильтрах.
-
Предложешг способы построения вычислителей фильтров, ориентированные на реализацию в виде специализированной СБИС, не требующей программирования работы и программной памяти.
-
Предложена аппаратная реализация цифрового медианного фильтра, эффективно подавляющего импульсные помехи.
-
Предложен способ борьбы с нестационарными явлениями в цифровых рекурсивных фильтрах с высокой добротностью. Он заключается в целенаправленном изменении коэффициентов фильтров в определенные временные такты.
Т. Разработаны экономичные по программным затратам цифровые демодуляторы различных сигналов с высокими качественными, технологическими и эксплуатационными показателями.
Результаты диссертационной работы нашли применение в разработках Нижегородского НИМ радиосвязи, Самарского отраслевого НИИ радио, Барнаульского СКБ "Восток", Московского института электроники и автоматики, ОКБ "Янтарь", ГУНТР министерства связи и рада других предприятий, а также внедрены в учебный процесс в ПИИРС, где диссертантом разработан курс лекций по углубленной подготовке студентов в области применения ЦОС в приемниках, поставлен ряд лабораторных работ, а также написана монография "Выходные устройства приемников с цифровой обработкой сигналов".
диссертант руководит аспирантом МТУСИ, в кандидатской диссертации которого находят дальнейшее развитие полученные руководителем результаты.
